Android手势密码探索
Android 智能手機(jī)在全球市場(chǎng)有著極高的市場(chǎng)占有率，越來(lái)越受到廣大消費(fèi)者的青睞。但 Android 作為開(kāi)源操作系統(tǒng)，且很容易可以獲得系統(tǒng) root 權(quán)限，Android 系統(tǒng)的安全問(wèn)題也是用戶和開(kāi)發(fā)者最關(guān)心的問(wèn)題之一。
手勢(shì)密碼作為手機(jī)上方便的一種安全保護(hù)措施，受到了眾多 APP 開(kāi)發(fā)者的青睞，市場(chǎng)上一些金融類(lèi) APP 基本都配有手勢(shì)密碼，如下圖即為手勢(shì)繪制過(guò)程的一個(gè)狀態(tài)。
目前大多數(shù) Android 手機(jī)都具有手勢(shì)鎖屏功能，Android 系統(tǒng)自身是帶了手勢(shì)密碼功能的，不同的 ROM 廠商做了不同的定制。本文通過(guò)Android自身的源碼簡(jiǎn)單介紹手勢(shì)密碼的原理。
Android手勢(shì)相關(guān)類(lèi)
回憶或者嘗試一下用手勢(shì)解鎖 Android 手機(jī)的過(guò)程：首先用戶通過(guò)點(diǎn)擊九宮格的點(diǎn)連接出一條路徑，當(dāng)手指抬起時(shí)，會(huì)判斷此次連接的點(diǎn)路徑是否和設(shè)置的相匹配。
在這個(gè)過(guò)程中，涉及到兩個(gè)方面（不考慮設(shè)置手勢(shì)時(shí)的存儲(chǔ)）：
- 手勢(shì)的繪制
- 手勢(shì)的驗(yàn)證/匹配
針對(duì)這兩個(gè)過(guò)程，通過(guò) AOSP 查找源碼，我們可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)相關(guān)類(lèi)：
- LockPatternView.java：View類(lèi)，九宮格手勢(shì)圖形顯示的類(lèi)。
- LockPatternUtils.java：手勢(shì)轉(zhuǎn)換、匹配工具類(lèi)。
本篇文章通過(guò)分析這兩個(gè)類(lèi)中重要的部分來(lái)說(shuō)明手勢(shì)表示和繪制的原理。
LockPatternView
該類(lèi)是 View 的子類(lèi)，其中定義了整個(gè)手勢(shì)繪制區(qū)相關(guān)的 View，比如九宮格的點(diǎn)、繪制的路徑、View 的狀態(tài)模式、以及手勢(shì)監(jiān)聽(tīng)等。類(lèi)中覆寫(xiě)了 View 父類(lèi)的 onDraw 方法，點(diǎn)的選中狀態(tài)、繪制線條都是實(shí)時(shí)繪制的。
九宮格中的每個(gè)「宮」作為靜態(tài)內(nèi)部類(lèi)定義為 Cell，每個(gè) Cell 包括兩個(gè)坐標(biāo)，即行（row）和列（column），row 和 column 的范圍均在 [0, 3) 內(nèi)。這樣定義的好處，一是利用矩陣的思想來(lái)表示九宮格，二是可以把「row 3 + column*」作為 Cell 的值，用 0~8 共 9 個(gè)數(shù)字來(lái)表示九宮格。比如，繪制的路徑是 「L」 型，就可以用「03678」來(lái)表示這個(gè)路徑。
public static final class Cell {final int row;final int column;// keep # objects limited to 9private static final Cell[][] sCells = createCells();private static Cell[][] createCells() {Cell[][] res = new Cell[3][3];for (int i = 0; i < 3; i++) {for (int j = 0; j < 3; j++) {res[i][j] = new Cell(i, j);}}return res;}/*** @param row The row of the cell.* @param column The column of the cell.*/private Cell(int row, int column) {checkRange(row, column);this.row = row;this.column = column;}public int getRow() {return row;}public int getColumn() {return column;}public static Cell of(int row, int column) {checkRange(row, column);return sCells[row][column];}private static void checkRange(int row, int column) {if (row < 0 || row > 2) {throw new IllegalArgumentException("row must be in range 0-2");}if (column < 0 || column > 2) {throw new IllegalArgumentException("column must be in range 0-2");}}@Overridepublic String toString() {return "(row=" + row + ",clmn=" + column + ")";} }手勢(shì)繪制過(guò)程中，一般有三種狀態(tài)：繪制正確、正在繪制、繪制錯(cuò)誤（實(shí)際開(kāi)發(fā)可以設(shè)置為四種，第四種即鎖定狀態(tài)）。
手勢(shì)九宮格用「DisplayMode」表示三種顯示模式：
public enum DisplayMode {/*** The pattern drawn is correct (i.e draw it in a friendly color)*/Correct,/*** Animate the pattern (for demo, and help).*/Animate,/*** The pattern is wrong (i.e draw a foreboding color)*/Wrong}通過(guò)三種模式，可以更改繪制手勢(shì)過(guò)程中及結(jié)束后手勢(shì)狀態(tài)。比如，更改顏色以表示狀態(tài)：讓繪制的過(guò)程中，選中的 Cell 和線條用藍(lán)色表示，繪制錯(cuò)誤時(shí)用紅色表示，繪制正確時(shí)用綠色表示。
手勢(shì)繪制過(guò)程中通過(guò)接口OnPatternListener中的4個(gè)監(jiān)聽(tīng)函數(shù)來(lái)監(jiān)聽(tīng)手勢(shì)開(kāi)始、結(jié)束、清除、添加等操作。接口的定義如下：
public static interface OnPatternListener {/*** A new pattern has begun.*/void onPatternStart();/*** The pattern was cleared.*/void onPatternCleared();/*** The user extended the pattern currently being drawn by one cell.** @param pattern The pattern with newly added cell.*/void onPatternCellAdded(List<Cell> pattern);/*** A pattern was detected from the user.** @param pattern The pattern.*/void onPatternDetected(List<Cell> pattern);}從方法名和注釋就可以看出每個(gè)方法的含義，在此不再贅述。
接下來(lái)看下，手勢(shì)在繪制手勢(shì)的過(guò)程中，View是如何判斷手指當(dāng)前位置是否選中某個(gè) Cell ，以及是否應(yīng)該把該 Cell 連接入手勢(shì)。這里需要了解幾個(gè)函數(shù)：
getRowHit ( float y )
用來(lái)確定手指當(dāng)前坐標(biāo) (x, y) 位于九宮格的第幾排。
getColumnHit (float x )
用來(lái)確定手指當(dāng)前坐標(biāo) (x, y) 位于九宮格的第幾列。
checkForNewHit (float x, float y)
private Cell checkForNewHit(float x, float y) {final int rowHit = getRowHit(y);if (rowHit < 0) {return null;}final int columnHit = getColumnHit(x);if (columnHit < 0) {return null;}if (mPatternDrawLookup[rowHit][columnHit]) {return null;}return Cell.of(rowHit, columnHit);}函數(shù)代碼很好理解，mPatternDrawLookup 是個(gè)全局變量，同樣采用矩陣的形式，用于標(biāo)記九宮格中哪個(gè) Cell 被連接。從 checkForNewHit 中可以看出，已經(jīng)被連接的 Cell，是不會(huì)再被選中的，這也是目前手勢(shì)密碼普遍的做法。如果你需要實(shí)現(xiàn)“每個(gè)點(diǎn)可以被連接多次”的需求，這部分就需要改動(dòng)了。
detectAndAddHit (float x, float y)
用來(lái)檢測(cè)并判斷手指當(dāng)前坐標(biāo) (x, y) 是否需要添加添加進(jìn)當(dāng)前手勢(shì)中。
private Cell detectAndAddHit(float x, float y) {final Cell cell = checkForNewHit(x, y);if (cell != null) {// check for gaps in existing patternCell fillInGapCell = null;final ArrayList<Cell> pattern = mPattern;if (!pattern.isEmpty()) {final Cell lastCell = pattern.get(pattern.size() - 1);int dRow = cell.row - lastCell.row;int dColumn = cell.column - lastCell.column;int fillInRow = lastCell.row;int fillInColumn = lastCell.column;if (Math.abs(dRow) == 2 && Math.abs(dColumn) != 1) {fillInRow = lastCell.row + ((dRow > 0) ? 1 : -1);}if (Math.abs(dColumn) == 2 && Math.abs(dRow) != 1) {fillInColumn = lastCell.column + ((dColumn > 0) ? 1 : -1);}fillInGapCell = Cell.of(fillInRow, fillInColumn);}if (fillInGapCell != null &&!mPatternDrawLookup[fillInGapCell.row][fillInGapCell.column]) {addCellToPattern(fillInGapCell);}addCellToPattern(cell);if (mEnableHapticFeedback) {performHapticFeedback(HapticFeedbackConstants.VIRTUAL_KEY,HapticFeedbackConstants.FLAG_IGNORE_VIEW_SETTING| HapticFeedbackConstants.FLAG_IGNORE_GLOBAL_SETTING);}return cell;}return null;}首先通過(guò) checkForNewHit 獲得當(dāng)前位置的的 Cell，計(jì)算當(dāng)前Cell 與手勢(shì)中最后一個(gè) Cell 的行列差值。看其中一段代碼
if (Math.abs(dRow) == 2 && Math.abs(dColumn) != 1) {fillInRow = lastCell.row + ((dRow > 0) ? 1 : -1); }if (Math.abs(dColumn) == 2 && Math.abs(dRow) != 1) {fillInColumn = lastCell.column + ((dColumn > 0) ? 1 : -1); }fillInGapCell = Cell.of(fillInRow, fillInColumn);判斷條件是：當(dāng)前 Cell 與手勢(shì)中最后一個(gè) Cell 的行或者列的絕對(duì)差值為 2，且其列或行的絕對(duì)差值不為1，即兩個(gè) Cell 不相鄰（包括水平、豎直、45°方向的相鄰），獲得當(dāng)前 Cell 與手勢(shì)中最后一個(gè) Cell 之間的 Cell，如果該 Cell 沒(méi)有被添加進(jìn)去過(guò)，則添加進(jìn)手勢(shì)。
意思就是說(shuō)，繪制的手勢(shì)不會(huì)跨過(guò)沒(méi)有添加的點(diǎn)。
前面說(shuō)到，繪制過(guò)程中選中的點(diǎn)和未選中的點(diǎn)是通過(guò)覆寫(xiě) View 的 onDraw 方法實(shí)時(shí)繪制的。onDraw代碼如下：
@Overrideprotected void onDraw(Canvas canvas) {final ArrayList<Cell> pattern = mPattern;final int count = pattern.size();final boolean[][] drawLookup = mPatternDrawLookup;if (mPatternDisplayMode == DisplayMode.Animate) {// figure out which circles to draw// + 1 so we pause on complete patternfinal int oneCycle = (count + 1) * MILLIS_PER_CIRCLE_ANIMATING;final int spotInCycle = (int) (SystemClock.elapsedRealtime() -mAnimatingPeriodStart) % oneCycle;final int numCircles = spotInCycle / MILLIS_PER_CIRCLE_ANIMATING;clearPatternDrawLookup();for (int i = 0; i < numCircles; i++) {final Cell cell = pattern.get(i);drawLookup[cell.getRow()][cell.getColumn()] = true;}// figure out in progress portion of ghosting linefinal boolean needToUpdateInProgressPoint = numCircles > 0&& numCircles < count;if (needToUpdateInProgressPoint) {final float percentageOfNextCircle =((float) (spotInCycle % MILLIS_PER_CIRCLE_ANIMATING)) /MILLIS_PER_CIRCLE_ANIMATING;final Cell currentCell = pattern.get(numCircles - 1);final float centerX = getCenterXForColumn(currentCell.column);final float centerY = getCenterYForRow(currentCell.row);final Cell nextCell = pattern.get(numCircles);final float dx = percentageOfNextCircle *(getCenterXForColumn(nextCell.column) - centerX);final float dy = percentageOfNextCircle *(getCenterYForRow(nextCell.row) - centerY);mInProgressX = centerX + dx;mInProgressY = centerY + dy;}// TODO: Infinite loop here...invalidate();}final Path currentPath = mCurrentPath;currentPath.rewind();// draw the circlesfor (int i = 0; i < 3; i++) {float centerY = getCenterYForRow(i);for (int j = 0; j < 3; j++) {CellState cellState = mCellStates[i][j];float centerX = getCenterXForColumn(j);float translationY = cellState.translationY;if (isHardwareAccelerated() && cellState.hwAnimating) {DisplayListCanvas displayListCanvas = (DisplayListCanvas) canvas;displayListCanvas.drawCircle(cellState.hwCenterX, cellState.hwCenterY,cellState.hwRadius, cellState.hwPaint);} else {drawCircle(canvas, (int) centerX, (int) centerY + translationY,cellState.radius, drawLookup[i][j], cellState.alpha);}}}// TODO: the path should be created and cached every time we hit-detect a cell// only the last segment of the path should be computed here// draw the path of the pattern (unless we are in stealth mode)final boolean drawPath = !mInStealthMode;if (drawPath) {mPathPaint.setColor(getCurrentColor(true /* partOfPattern */));boolean anyCircles = false;float lastX = 0f;float lastY = 0f;for (int i = 0; i < count; i++) {Cell cell = pattern.get(i);// only draw the part of the pattern stored in// the lookup table (this is only different in the case// of animation).if (!drawLookup[cell.row][cell.column]) {break;}anyCircles = true;float centerX = getCenterXForColumn(cell.column);float centerY = getCenterYForRow(cell.row);if (i != 0) {CellState state = mCellStates[cell.row][cell.column];currentPath.rewind();currentPath.moveTo(lastX, lastY);if (state.lineEndX != Float.MIN_VALUE && state.lineEndY != Float.MIN_VALUE) {currentPath.lineTo(state.lineEndX, state.lineEndY);} else {currentPath.lineTo(centerX, centerY);}canvas.drawPath(currentPath, mPathPaint);}lastX = centerX;lastY = centerY;}// draw last in progress sectionif ((mPatternInProgress || mPatternDisplayMode == DisplayMode.Animate)&& anyCircles) {currentPath.rewind();currentPath.moveTo(lastX, lastY);currentPath.lineTo(mInProgressX, mInProgressY);mPathPaint.setAlpha((int) (calculateLastSegmentAlpha(mInProgressX, mInProgressY, lastX, lastY) * 255f));canvas.drawPath(currentPath, mPathPaint);}}}這部分代碼比較長(zhǎng)，這里就不細(xì)細(xì)分析了，主要流程就是：
判斷當(dāng)前顯示模式是否是正在繪制。如果是，保存連接的點(diǎn)的狀態(tài)，計(jì)算手指當(dāng)前所在的點(diǎn)坐標(biāo)；如果不是，進(jìn)入第2步。
根據(jù)1中保存的狀態(tài)，繪制選中的點(diǎn)，已更改選中的點(diǎn)的樣式。
選中的點(diǎn)和未選中的點(diǎn)的狀態(tài)都是在這部分實(shí)時(shí)完成的，通過(guò)遍歷9個(gè)點(diǎn)，根據(jù)1中保存的狀態(tài)改變畫(huà)筆屬性繪制不同的樣式。
繪制連接線（path）。主要是獲得路徑，然后drawPath。
最后就是onTouchEvent處理手指ACTION事件，包括ACTION_DOWN、ACTION_UP、ACTION_MOVE、ACTION_CANCEL事件。每種事件，判斷手勢(shì)繪制是否結(jié)束、改變顯示模式、刷新View、回調(diào)方法。
LockPatternUtils
LockPatternUtils是處理手勢(shì)的工具類(lèi)，主要看下兩個(gè)方法patternToString、patternToHash兩個(gè)方法。
- patternToString
從方法定義可以看到，將手勢(shì)用0~8數(shù)字，轉(zhuǎn)換成byte數(shù)組來(lái)表示。
- patternToHash
patternToHash的作用是，在patternToString的基礎(chǔ)上，采用「SHA-1」算法對(duì)byte數(shù)組進(jìn)行hash散列。
值得一提的是，SHA-1雖然不可逆，但算法并不安全。如果采用暴力破解的方式，自己寫(xiě)個(gè)程序很快就能撞對(duì)。
也許Android的開(kāi)發(fā)者也明白，Android作為開(kāi)源系統(tǒng)，無(wú)法做到真正意義上的絕對(duì)安全，除了每個(gè)人都能獲得源碼外，獲得系統(tǒng)root權(quán)限就能拿到系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)，因此并沒(méi)有花較大的力氣來(lái)處理手勢(shì)的安全問(wèn)題。當(dāng)然，這也是作者的猜想。
實(shí)際開(kāi)發(fā)中，需要根據(jù)APP及手勢(shì)需求的加密等級(jí)，對(duì)手勢(shì)信息進(jìn)行不同程度的加密。如果需要存儲(chǔ)到本地，還涉及到數(shù)據(jù)的本地存儲(chǔ)安全。
通過(guò)上面的簡(jiǎn)單介紹，相信大家大致了解了手勢(shì)密碼的原理，上面分析的內(nèi)容主要是用戶可以修改的，即如果你需要自定義不同的手勢(shì)樣式，可以更改上面分析的對(duì)應(yīng)部分。
我個(gè)人基于Android自己的LockPatternView進(jìn)行了簡(jiǎn)單的修改，繪制的樣式如文章開(kāi)始的圖所示，修改的地方如要是drawCircle、圖層、畫(huà)筆。相關(guān)代碼可到y(tǒng)oungmeng/LockPatternView查看。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的Android手势密码探索的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。
- 上一篇： Python：用海龟作图turtle画一
- 下一篇： android sina oauth2.